[01138064]水产养殖废水中抗生素的涡流空化效应降解技术研究

1. 课题来源与背景：水产养殖废水中抗生素的涡流空化效应降解技术研究（编号：2016A020210126）来源于广东省科技厅的广东省科技发展专项资金（公益研究与能力建设方向）项目。 我国是世界第一水产养殖大国,约占世界养殖总产量的 70%。但近年来水产养殖环境的污染日益加剧,导致水产动物疾病爆发、病原微生物种类增多以及传播速度加快,在此情况下,抗生素在水产养殖和畜禽养殖业中得到了广泛的应用,但是养殖业者对抗生素安全使用的知识匮乏,以及相关部门的监管缺失,使得抗生素引发的环境污染问题日益严重,抗生素长期在饲料中添加以促进生长,其后果是导致抗生素在水产养殖动物体内的组织、器官等地方残留。抗生素在人体内的积累会产生严重的危害。 目前对水产养殖废水中抗生素的控制技术还比较缺乏,因此寻找环保、高效处理水产养殖废水中的抗生素的方法具有重要意义。研究表明涡流空化能有效降解有机物。本项目设计了一种新型旋流式涡流空化装置,研究其降解四环素与土霉素的性能,以及模拟水产养殖废水的处理效果,为水产养殖业抗生素废水治理提供新的途径。 2. 技术原理及性能指标： 项目取得的主要试验结果如下： （1）设计了利用多个涡流腔形成更多的空化泡以及螺旋线流道加速流体,从而增强涡流空化效应的一种新型涡流空化装置,装置的涡流空化部件的具体参数为：涡流腔的直径是65mm,螺旋流道入口直径为21mm,螺旋流道的出口直径为3mm,每条螺旋流道上有通向射流腔的四个直径为3mm的孔道。设计的涡流空化装置具有较高的降解性能。 （2）新型涡流空化装置的仿真结果受到涡流腔小孔数,螺旋线上孔数,涡流缝隙,螺旋线流道入口直径的影响。涡流空化装置的最佳参数组合为：涡流腔小孔数为1,螺旋线上小孔数为5,涡流缝隙为6mm,螺旋线流道入口直径为9mm。 （3）优化后的涡流空化装置降解土霉素和四环素废水的最佳pH、最佳初始浓度、最佳降解时间、最佳降解温度与仿真优化前的涡流空化装置一致。土霉素和四环素在pH=7、初始浓度为2mg/L、降解时间为50min、降解温度为25~50℃的条件下,涡流空化效应降解效果达到最佳,降解率分别为87.62%和84.73%,比仿真优化前分别提高了4.50%和2.98%。 （4）涡流空化效应能够产生羟自由基,以亚甲基蓝为羟自由基的捕捉剂,随着亚甲基蓝浓度的提高,对羟自由基的捕捉率也逐渐提高,仿真优化前后的涡流空化装置产生的羟自由基都可被20mg/L亚甲基蓝溶液完全捕捉,仿真优化前后的涡流空化装置产生的羟自由基浓度分别为8.53μmol/L和10.3μmol/L,仿真优化后比优化前浓度提高了20.75%。土霉素和四环素的降解过程主要是在涡流空化效应下发生了脱功能基团和开环反应,逐步降解成了小分子的中间产物,最终降解成H2O和CO2。 （5）仿真优化前的涡流空化装置对模拟水产养殖废水中的土霉素和四环素的降解率分别为68.03%和64.66%,优化后的降解率分别为75.30%和72.57%,与仿真优化前的装置相比降解率分别提高了7.27%和7.91%。仿真优化前后总磷的量几乎没变化,对总氮的去除率分别为6.4%和6%,对COD的去除率分别为3.7%和3.4%。 3. 技术的创造性与先进性： （1）本项目结合流体力学、机械工程学及物理化学等多个学科的知识,研究旋流式涡流空化装置对抗生素的降解性能,具有较强的学科交叉研究的特色。 （2）研制了一种在多处能多次产生涡流空化效应的独特旋流式结构的涡流空化装置。 （3）研究发现在较低入口压力、无需添加任何化学试剂的条件下,旋流式涡流空化装置对水中四环素与土霉素的降解效果较好。 （4）分析推断了涡流空化装置对土霉素和四环素的降解路径。涡流空化装置对土霉素和四环素的降解过程主要是在涡流空化效应下发生了脱功能基团和开环反应,逐步降解成了小分子的中间产物,最终降解成H2O和CO2。 （5）研究了仿真优化前后的涡流空化装置对模拟水产养殖废水的处理效果。结果表明仿真优化前后的涡流空化装置对模拟水产养殖废水中的土霉素和四环素的降解率都为65%以上,对COD、总氮有部分去除效果,对总磷没有明显去除效果。 4. 技术的成熟程度,适用范围和安全性：本技术属于应用基础研究,还未完全成熟,适用于水产养殖废水的深度处理、抗生素废水的处理,难降解有机物的处理等。无需添加化学试剂,安全性好,无安全隐患。 5. 应用情况及存在的问题：本研究设计的涡流空化装置属于小试装置,在实际应用中需放大,可能会存在降解率有偏差问题,需进一步研究,目前还没有实际应用。 6. 历年获奖情况：项目研究过程中暂无获奖。